用打气筒给自行车轮胎打气，能明显感受到打气筒内气体被压缩时产生的压力，以及打气筒筒壁发热。雨后的荷叶上会留下球状的水珠，水珠在荷叶上滚动，并不能将荷叶浸湿。雪花总是呈现出较为规则的几何外观……气体、液体和固体所表现出来的这些宏观特性可以通过气体、液体和固体分子的热运动以及分子间的相互作用来解释。对物质基本性质的研究，也是人类研发新材料及其应用技术的基础。

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在初中阶段我们已经学习了物态变化的初步知识，上一章又学习了分子动理论。在本章中将通过实验了解气体实验定律；知道理想气体模型；在实验中观察液体的表面张力现象并了解表面张力的成因；了解固体的微观结构；知道晶体和非晶体的特点；了解液晶等新材料的性质及其应用。在通过实验了解气体实验定律和学习理想气体模型的过程中，进一步体会控制变量和物理建模的思想方法，发展科学探究能力；用分子动理论解释气体、液体和固体的性质，提升物质、运动和相互作用的观念，发展科学思维和科学论证能力；通过对新材料的了解，感受材料科学和技术对人类社会发展的积极作用。

 

 

 

孔明灯（图 11–1）是我国古老的手工艺品。热气球（图 11–2）发明于 18 世纪，它的出现最早实现了人类的飞翔梦。孔明灯和热气球都是通过加热气体获得向上的动力，但要了解它们上升的原理，还必须进一步研究气体的相关性质。

 

 

在力学中，引入了位移、速度等物理量来描述物体的机械运动状态，为了描述气体的宏观状态又应该引入哪些物理量呢？

 

一定质量的气体是由大量做无规则运动的分子组成的系统，宏观上表现为充满一定的空间，具有热学、力学等物理性质。我们分别用体积、温度和压强来描述气体的这些宏观物理性质。

• 气体的体积

组成气体的大量分子总能充满整个容器，如图 11–3 所示，因此气体的体积就是盛放气体容器的容积。

 

• 气体的温度

将两个温度不同的系统互相接触，这两个系统的状态都会变化，热的变冷，冷的变热。经过一段时间后，这两个系统的状态不再变化，达到平衡，这种平衡叫做热平衡，处于热平衡状态的两个系统具有相同的温度。为了定量地描述温度，就必须建立温标。常用的温标有摄氏温标、热力学温标等。

用热力学温标表示的温度叫做热力学温度，用符号 T 表示，单位是开尔文（K），简称开，它是国际单位制中七个基本量之一。热力学温度 T 与摄氏温度 t 之间的关系是

T = t + 273.15 K ≈ t + 273 K

日常生活中通常用温度计测量气体的温度，工业生产和科学实验中也常用温度传感器测量气体的温度。表 11-1 所示是一些典型的温度值。

 

表 11–1 一些典型的温度值

宇宙大爆炸后的 10-43 s	1032 K	月球向阳面	4×102 K
氢弹爆炸中心	108 K	月球背阴面	90 K
太阳中心	1.5×107 K	氮的液化点	77 K
太阳表面	6×103 K	氦的液化点	4.2 K
地球中心	4×103 K	宇宙微波背景辐射	2.7 K
乙炔焰	3×103 K	实验室内获得的最低温度	10-11 K

 

• 气体的压强

我们用下面的实验来模拟气体压强的产生。如图 11–4 所示，把台秤的托盘翻过来放置，将若干小钢珠（或黄豆）连续倒向托盘。小钢珠与托盘撞击后全部都被反弹开，但由于许多小钢珠不断地撞击托盘，托盘就受到一个持续的压力，台秤就会指示这一压力。

类似于钢珠对托盘的撞击会产生持续的压力，容器内大量运动的气体分子对容器器壁的不断撞击也会产生压力。当气体处于平衡状态时，尽管单个分子对器壁的撞击作用是断续的、随机的，但大量分子对容器撞击所产生的压力却是持续的、稳定的。一定质量的气体压强与分子的质量、分子运动的速度和单位时间内撞击单位面积器壁的分子数等有关，即与温度和容器内的分子数密度（单位体积内的分子数）有关。

容器壁单位面积上所受的气体分子压力就是气体的压强，用字母 p 表示，国际单位是帕斯卡（Pa），简称帕。

实际生活中常用指针式或数字式压强计测量气体压强。图 11–5 显示的是用指针式压

 

强计来测量轮胎气压。实验室中，常用压强传感器来测量气体的压强。

体积、温度、压强都是用来描述一定质量气体状态的物理量，我们称之为气体的状态参量。对于一定质量的气体，如果体积、温度、压强都不变，则称气体处于平衡状态（简称平衡态）。只要有状态参量发生变化，我们就说该气体的状态发生了变化。

整章分析

学习目标

1．了解气体实验定律、理想气体模型，能解释气体压强和气体实验定律。了解液体表面张力和毛细现象、固体的微观结构以及晶体和非晶体的特点，并能正确识别生活中的晶体和非晶体。了解液晶、新材料的初步知识及其应用的实例。完善物质、运动与相互作用等物理观念。

2．认识建构理想气体模型的必要性。能在一定条件下应用理想气体模型分析和研究实际气体的问题，能用等温、等压、等容的理想过程正确认识和分析现实生活中的气体状态变化。用微观结构解释宏观性质与特征，形成多视角观察和分析物理问题的能力。

3．会做“探究等温情况下，一定质量气体压强与体积的关系”实验，能在实验中通过正确的操作减小误差，正确处理实验数据并做出解释，能写出完整的实验报告。知道研究等容、等压变化规律的实验。能通过实验观察并描述固体、液体的宏观特征。

4．了解材料科学技术的发展对人类生活和社会进步的影响，激发学习兴趣，拓展学习视野。

编写意图

课程标准中对本章的内容要求为：

3.1.3  了解固体的微观结构。知道晶体和非晶体的特点。能列举生活中的晶体和非晶体。通过实例，了解液晶的主要性质及其在显示技术中的应用。

3.1.4  了解材料科学的有关知识及应用，体会它们的发展对人类生活和社会发展的影响。

3.1.5  观察液体的表面张力现象。了解表面张力产生的原因。知道毛细现象。

3.1.6  通过实验，了解气体实验定律。知道理想气体模型。能用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律。

本章以分子动理论为基础，认识物质的宏观特征和规律，并寻求其微观机制，使学生能够从不同层次认识物质的存在形式、变化规律等。

本章第一节、第二节、第三节主要介绍气体的状态参量——压强、体积、温度，以及通过实验获得的气体状态变化时所遵循的规律，同时还介绍这些物理概念及规律的微观解释。第四节介绍了液体的表面张力、浸润和不浸润及毛细现象。第五节讲述晶体、非晶体和晶体的空间点阵，最后简单介绍了液晶。第六节主要介绍了半导体和纳米材料。本章的学习强调在微观结构与宏观特性之间建立联系，帮助学生领会到：由于分子组合或存在方式不同，会呈现丰富多彩的物理规律和现象，需用不同的方法和物理量来探究和描述这些规律和现象。

本章教材中前三节有简单的定量计算，后三节主要为定性的讲述。各节内容都是从实验入手，通过观察、思考得出结论，再用分子动理论的观点进行解释。因此，在教学中应注意培养学生的实验观察能力和抽象思维能力。此外，本章内容与生产生活实际联系紧密，教学中也应该注意培养学生应用知识研究实际问题的能力。

完成本章内容的学习共需要 8 课时。其中，第一节 1 课时，第二节 2 课时，第三节 2 课时，第四节 1 课时，第五节 1 课时，第六节 1 课时。

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本节编写思路

本节内容通过与力学中建立相关物理量来描述物体机械运动的状态相类比，引出描述气体宏观状态也需要建立相应的物理量。

在学生已有认知的基础上，主要通过教师讲述的方式介绍体积和温度。用演示实验来模拟气体压强，帮助学生从分子动理论的角度来理解压强。最后明确相关概念：状态参量、平衡状态、状态变化。

通过本节课的学习，学生可以体会到研究视角的变化：上一章学习是从微观的角度研究物质、运动和相互作用；这一章学习将主要从宏观的角度研究气体、液体、固体的性质，同时从微观角度用分子动理论来解释这些宏观现象。

关于研究热学的宏观与微观两种方法，请见本节“资料链接”。

正文解读

要求学生理解气体的体积与固体、液体的体积有不同的特点。当温度一定时，固体所占空间的大小是不变的，但是一定量的气体所占的空间大小随容器容积的大小而改变，即无论容器有多大，在平衡时气体总是均匀地布满整个容器，所以气体的体积一般是指盛放气体的容器的容积。根据分子动理论可知，通常情况下，气体分子本身的体积与它所占空间体积相比不足 \(\frac{1}{{1000}}\)，因此认为气体分子本身的体积可忽略不计。要使学生理解：气体的体积是指气体分子所能够到达的空间区域，而不是气体分子自身的体积。

 

在学生已有认知中，温度是反映物体冷热程度的物理量。这里要从分子动理论的观点来进一步理解温度概念：温度表示物体内部分子无规则运动的剧烈程度，这种无规则运动越剧烈则温度越高；温度是一个宏观量，对由大量分子构成的物体来说才存在温度这一概念，对单个分子、原子来说无温度可言。物体的温度可以用测温仪器来测定。

 

以表格的形式列举一些典型温度值，旨在帮助学生了解温度的尺度。

 

与体积、温度一样，气体的压强也是宏观量，也可用仪器直接测定。大量气体分子不断撞击器壁，使器壁受到了冲力，垂直作用在器壁单位面积上的平均冲击力，就是气体的压强。因此，气体压强的大小由气体分子的质量、单位体积内的分子数和分子的平均速率决定。对气体压强的微观解释是基于一些微观假设．如：把分子看成是弹性小球，分子与器壁间的相互作用是弹性碰撞，分子的无规则运动沿各个方向的机会相等，等等。

 

在没有外界影响的情况下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态叫做平衡态。处于平衡态时的热力学系统内部分子仍在不停地运动，所以这是一个热动平衡。对于实际的热力学系统而言，不受外界影响，宏观性质保持不变是不可能的，所以平衡态是一个理想化的概念，是在一定条件下对实际情况的一种抽象。在外界条件变化很缓慢，对系统的影响十分微弱时，许多实际情况可以近似作为平衡态处理。系统处于平衡态时，宏观性质不随时间改变，描述这些性质的物理量（体积、压强、温度）称为状态参量。

问题与思考解读

1．参考解答：图（a）中，左端橡皮膜向玻璃管内部凹陷，管内气体体积变大、压强减小；图（b）中，左端橡皮膜向玻璃管外部凸起，管内气体体积变小、压强增大。

命题意图：巩固对气体状态参量的理解。从橡皮膜的形变推理分析封闭气体压强的变化。

主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）。

 

2．参考解答：（1）V₁ > V₂，（2）m₁ = m₂

命题意图：知道气体体积与组成气体的分子总体积、气体质量与组成气体的分子总质量的关系。

主要素养与水平：物质（Ⅱ）。

 

3．参考解答：初温度 T₁ = 253 K，末温度 T₂ = 300 K，温度变化量 ΔT = 47 K。

命题意图：巩固对热力学温标和摄氏温标关系的认识。

主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）。

 

4．参考解答：组成气体的大量分子在不停地做无规则运动，单位时间内大量的分子与容器壁发生弹性碰撞，分子的动量发生变化，宏观上表现为容器壁受到连续的压力，容器壁单位面积受到的压力就是气体的压强。

命题意图：用分子动理论解释压强产生的原因，养成从微观与宏观两种不同视角研究问题的习惯。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅱ）。

 

5．参考解答：图（a）p = p₀，图（b）p = p₀ + ρgh，图（c）p = p₀ – ρgh

平衡状态下，封闭在容器内的气体压强可以用外加的压强来量度。

命题意图：利用液柱的受力平衡，来推算被封闭气体的压强。体会间接测量或计算被封闭气体压强的方法。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

资料链接

热学——微观世界和宏观世界的一座桥梁

热学中常用的研究方法有宏观和微观两种。

对于一定质量的某种气体，我们可以用体积、压强、温度来描述它的状态。这些物理量可以用仪器直接测量，也可以被我们的感官所觉察，称为宏观量。所谓宏观方法，就是基于系统热现象的大量实验观测事实，得出表征系统状态及属性的宏观量所遵从的规律，并以此为基础，通过逻辑推理和演绎的方法，进一步得出关于系统各种宏观性质之间的关系，以及宏观过裎进行的方向、限度的规律。这种方法又称为热力学方法。这种方法完全以客观的实验结果为依据，没有对热现象的微观过程做任何假设，因此用这种方法得出的结论具有普遍性和可靠性。然而，这种方法不能揭示宏观规律的微观本质。

另一方面，由于物质都是由分子、原子等微观粒子组成的，如果能确定某个时刻系统内所有微观粒子的状态．那么系统在该时刻的状态也就能确定了。描述微观粒子的物理量（如位置、速度、能量等）称为微观量。微观量不能被我们的感官感知，一般也不能直接用仪器测量。所谓微观方法，也称分子动理论方法或统计物理方法，是从系统由大量微观粒子组成的前提出发，根据一些物质微观结构的知识，对粒子间相互作用的性质和规律，以及热现象的微观过程，提出某种模型或假设，把系统的宏观性质视为微观粒子热运动的统计平均效果，运用统计的方法找出宏观量与微观量的关系，确定系统的宏观性质和微观量遵从的规律。用这种方法所得出的结论必须接受实验的检验，如果结论与实验相符，表明其模型或假设是合理的，能够揭示其宏观规律的微观本质。

宏观方法和微观方法分别从两个不同的角度研究物质的热现象及其规律，它们彼此密切联系、相辅相成，使热学成为联系微观世界和宏现世界的一座桥梁。